JPWO2014175151A1 - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

給湯装置は、圧縮機、四方弁、空気熱交換器、膨張弁、第１の開閉弁、水を加熱する水熱交換器、第２の開閉弁である給湯二方弁および第３の開閉弁を順次冷媒配管により接続し、除霜運転時に水熱交換器を迂回させるように冷媒を流すバイパス路を形成したヒートポンプ回路、及び、このヒートポンプ回路の給湯運転時に、膨張弁および第１の開閉弁を、冷媒流量を調節するための調節開度に、第２、第３の開閉弁を全開にそれぞれ制御する一方、除霜運転時に、膨張弁を全開に、第１、第２の開閉弁を全閉に、第３の開閉弁を調節開度にそれぞれ制御する制御装置を具備している。

Description

本発明は、ヒートポンプ式の給湯装置に関する。

一般に、この種の給湯装置では、水を加熱して湯に沸き上げる水熱交換器の冷媒流路に、除霜（運転）時に低温の冷媒が流入すると、この冷媒と熱交換する水を通水する水管が冷却されて凍結する虞がある。

そこで、この種の従来の給湯装置としては、水熱交換器の除霜時の冷媒入口部に、除霜時に全閉される開閉弁と、液側冷媒温度センサを設け、この液側冷媒温度センサの検出温度に基づいて、上記開閉弁から水熱交換器へ冷媒が漏れたことを検出し、その冷媒漏れを検出したときに、除霜運転を一旦停止し、開閉弁の初期化等を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特願２００７−１０２４２号公報

しかしながら、この種の給湯装置では、一般に、開閉弁自体が機械式であるので、全閉機能にばらつきがあるうえに、例えばごみ噛み等により冷媒がリークする虞がある。このために、除霜運転条件によっては、予想外の極低温の冷媒が開閉弁から水熱交換器へ漏れて水管が凍結する虞がある。

このような場合、上記従来の給湯装置では、除霜運転自体を中止するので、除霜時間の増大や、圧縮機熱量の低下、さらに除霜復帰後から冷凍サイクル安定までの時間の増大を招く。

本発明の目的は、上述の従来技術の問題点を鑑み、除霜時の水熱交換器の凍結防止効果の向上を図った給湯装置を提供することにある。

上記目的を達成するために提供される本発明に係る給湯装置は、圧縮機、四方弁、空気熱交換器、膨張弁、第１の開閉弁、水を加熱する水熱交換器、第２の開閉弁および第３の開閉弁を順次冷媒配管により接続し、除霜運転時に前記水熱交換器を迂回させるように冷媒を流すバイパス路を形成したヒートポンプ回路と、このヒートポンプ回路の給湯運転時に、前記膨張弁および第１の開閉弁を、冷媒流量を調節するための調節開度に、第２、第３の開閉弁を全開にそれぞれ制御する一方、除霜運転時に、前記膨張弁を全開に、第１、第２の開閉弁を全閉に、第３の開閉弁を調節開度にそれぞれ制御する制御装置と、を具備していることを特徴とする。
尚、ここで述べる調節開度とは、最適な冷媒循環量とするための弁開度のことである。
また、上記の給湯装置は、さらに、除霜運転時の前記水熱交換器の冷媒入口側に配設された冷媒温度センサと、この水熱交換器の水管に水を給水する給水ポンプとを具備し、前記制御装置により、給水ポンプの単位時間当りの回転数を前記冷媒温度センサにより検出された温度に基づいて制御するようにする事が望ましい。
また、上記第３の開閉弁に、給湯運転時に冷媒を前記第２の開閉弁側へのみ流す逆止弁を並列に設けたことが望ましい。

上記特徴を有する本発明の給湯装置によれば、ヒートポンプ回路の給湯運転時に、膨張弁および第１の開閉弁を、冷媒流量を調節するための調節開度に、第２、第３の開閉弁を全開にそれぞれ制御する一方、除霜運転時に、前記膨張弁を全開に、第１、第２の開閉弁を全閉に、第３の開閉弁を調節開度にそれぞれ制御する制御装置を備えているので、除霜時の水熱交換器の凍結防止効果の向上を図った給湯装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る給湯装置の全体構成図。 （２Ａ）は、ＴＬＨセンサの検出温度とこの検出温度に基づいて制御される給水ポンプの単位時間当りの回転数との対応関係を示す一覧表、（２Ｂ）は、同、一覧表で示すＴＬＨセンサの検出温度のしきい値に、昇温時と降温時でディファレンシャルを設けていることを示すグラフ。 （３Ａ）は、ＴＷＩ＿Ｈセンサの検出温度とこの検出温度に基づいて制御される給水ポンプの回転数の補正値との対応関係を示す一覧表、（３Ｂ）は、同、一覧表で示すＴＷＩ＿Ｈセンサの検出温度のしきい値に、昇温時と降温時でディファレンシャルを設けていることを示すグラフ。 第２の実施形態に係る給湯装置の全体構成図。

以下、実施形態に係る給湯装置を図面を参照して説明する。なお、複数の図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る給湯装置の全体構成図である。この図１に示すように第１の実施形態に係る給湯装置１は、熱源ユニットである室外ユニット２、水熱交ユニット３および給湯タンクユニット４を具備している。

室外ユニット２と水熱交ユニット３は、それぞれ冷媒配管５ａ、５ｂを具備しており、これら冷媒配管５ａ、５ｂの接端部同士を管継手５ｃ、５ｄでそれぞれ接続することにより、１本の冷媒配管５に構成している。

この冷媒配管５には、圧縮機６、四方弁７、空気熱交換器８、例えばパルスモータバルブ等からなる膨張弁９、第１の開閉弁１０、水熱交換器１１の冷媒流路１１ａ、第２の開閉弁の一例である給湯二方弁１２およびパルスモーターバルブ等からなる第３の開閉弁１３をこの順に順次接続してヒートポンプ回路１４を構成している。

また、ヒートポンプ回路１４は、膨張弁９と第１の開閉弁１０との中間部と、給湯二方弁１２と第３の開閉弁１３との中間部とを連通させてバイパス路１５を設けている。また、このバイパス路１５の途中には、除霜（運転）時に、冷媒を膨張弁９側から第３の開閉弁１３側へのみ流すバイパス逆止弁１６を介挿している。

水熱交換器１１は、冷媒流路１１ａを流れる冷媒により加熱される水を通水する水管１１ｂを具備している。水管１１ｂは、その水入口部１１ｃに給水管１７を接続し、水出口部１１ｄに給湯管１８を接続している。なお、給水管１７は、その他端部（図１では右端部）を貯湯タンク１９の底部に、その内部に連通可能に接続し、その途中には、水管１１ｂに水を給水する給水ポンプ２０を介装している。また、給湯管１８の他端部（図１では右端部）は、貯湯タンク１９の上端部に、その内部に連通可能に接続されている。

貯湯タンク１９は、その内部の貯湯を加熱する給湯ヒータ２１を具備している。また、貯湯タンク１９は、その上端部に、その内部に連通可能に給湯タンク出口水管２２を接続し、貯湯タンク１９の下端部に、その内部に連通可能に給湯タンク入口管２３を接続している。

そして、ヒートポンプ回路１４は、水熱交換器１１と第１の開閉弁１０の間（水熱交換器１１の除霜時の冷媒入口部）の冷媒配管５上に、液側冷媒の温度を検出するＴＬＨセンサ（液側冷媒温度センサ）２４を設けている。さらに、ヒートポンプ回路１４は、水熱交換器１１の水管１１ｂを通水する水の温度を検出するＴＣＨセンサ（水熱交換器水温センサ）２５と、水熱交換器１１の水管１１ｂの入口に給水される給水温度を検出するＴＷＩ＿Ｈセンサ２６と、水熱交換器１１の水管１１ｂの給湯出口１１ｄから出湯される出湯温度を検出するＴＷＯ＿Ｈセンサ（水熱交換器入口側水温センサ）２７を具備している。

さらに、給湯装置１は、制御装置２８を具備している。この制御装置２８は、四方弁７を切り換えることにより、ヒートポンプ回路１４の冷媒を図１中実線矢印方向に循環させることにより給湯運転を行う機能を有する。

即ち、制御装置２８は、この給湯運転時に、蒸発器として作用する空気熱交換器８の冷媒温度を検出するＴｅセンサ３０から、その検出温度を読み込み、所定時間継続して検出温度が所定値以下（例えば０℃以下）のときに着霜が発生していると判断し、その際に、この給湯運転を除霜運転に切り換えるために四方弁７を切り換える。

この除霜運転により、空気熱交換器８の温度が上昇し、冷媒温度を検出しているＴｅセンサ３０から読み込んだ温度検出値が所定値以上であるときに、除霜が消失し完了したと判断し、除霜運転を停止させる。

なお、制御装置２８は、四方弁７を給湯運転に切り換えるときは、膨張弁９と第１の開閉弁１０を冷媒流量を制御するための調節開度に制御し、第２の開閉弁である給湯二方弁１２を全開に制御し、さらに、第３の開閉弁１３を全開に制御する機能を有する。

一方、制御装置２８は、四方弁７を除霜運転に切り換えるときは、膨張弁９を全開に制御し、第１の開閉弁１０と給湯二方弁１２を全閉に、第３の開閉弁１３を調節開にそれぞれ制御する。尚、ここで述べる調節開度とは、最適な冷媒循環量とするための弁開度のことであり、調節開とはその開度にすることを意味する（以下同じ）。

なお、図１中、符号２９は外気温度を検出するＴｏセンサ、３１は圧縮機６の吸込側の冷媒温度を検出するＴｓセンサ、３２は圧縮機６の吐出側の冷媒温度を検出するＴｄセンサ、３３は貯湯タンク１９内下部の給湯温度を検出するＴ２Ｈセンサである。

次に、本実施形態の作用について説明する。

制御装置２８は、図示省略のリモコンや運転操作盤等から給湯運転指令信号を図示省略の信号線等を介して受信すると、四方弁７を給湯運転側へ切り換える。これとほぼ同時に、第３の開閉弁１３と給湯二方弁１２を全開に、第１の開閉弁１０と膨張弁９を調節開度にそれぞれ制御する。

これにより、ヒートポンプ回路１４の冷媒は図１中実線矢印方向に循環する。すなわち、圧縮機６から吐出された高温高圧のガス状冷媒は、給湯運転側に切り換えられた四方弁７に案内され、全開中の第３の開閉弁１３を通過し、バイパス路１５側へ流れるが、このバイパス路１５のバイパス逆止弁１６に対しては、流れ方向が逆方向であるので、バイパス路１５へ流れずに全開中の給湯二方弁１２側へ流れる。このために、高温高圧のガス状冷媒は、水熱交換器１１の冷媒流路１１ａを流れて放熱し水管１１ｂ側を流れている水を加熱して湯に沸き上げる。

この水熱交換器１１で放熱した高温高圧のガス状冷媒は凝縮して液化し、高圧の液冷媒となって、調節開度に制御されている第１の開閉弁１０に流入し、ここで所要の流量に制御されてから膨張弁９内へ流入する。

膨張弁９は調節開度に制御されているので、ここで、高圧液冷媒が減圧されると共に、所要の流量に制御されてから空気熱交換器８内へ流入し、ここで蒸発して外気から吸熱し、低圧ガス状冷媒となって再び圧縮機６の吸込側へ戻され、ここで再度圧縮されて上記作用を繰り返す。この給湯運転を繰り返すことにより、水熱交換器１１で加熱された水（湯）は給湯管１８を通って貯湯タンク１９内へ、その上端から給湯され貯湯される。なお、貯湯タンク１９の底部内にある低温の水または湯は給水管１７を通って給水ポンプ２０により水熱交換器１１の水管１１ｂへ給水され、ここで加熱される。

この繰返しにより、貯湯タンク１９内の貯湯が所定温度に加熱される。この貯湯温度はＴ２Ｈセンサ３３により検出され、その検出温度は制御装置２８により読み込まれ、所定温度以上に達していると判断されたときに、給湯運転は停止される。

上記の給湯運転中、空気熱交換器８は、蒸発器として作用するので、冬季等で外気温が低温の場合等では、着霜が発生する場合がある。

このために、制御装置２８は、空気熱交換器８の冷媒入口側温度を検出するＴｅセンサ３０から、その検出温度を読み込み、その検出温度が所定温度以下であるときに、着霜が発生したと判断し、四方弁７を除霜運転に切り換える。このとき、制御装置２８は、膨張弁９を全開に、さらに、第１の開閉弁１０と給湯二方弁１２を全閉に、制御すると共に、第３の開閉弁１３を調節開度に制御する。

そこで、圧縮機６から吐出された高温高圧のガス状冷媒は、四方弁７により案内されて空気熱交換器８に流入し、放熱して空気熱交換器８を加熱し着霜を加熱溶融させて除霜する。ここで、空気熱交換器８で放熱して液化した高圧液冷媒は、全開中の膨張弁９を通って第１の開閉弁１０側へ流れる。

このとき、第１の開閉弁１０と給湯二方弁１２は全閉中であるのに対し、バイパス路１５のバイパス逆止弁１６が順方向であるので、液冷媒はバイパス路１５を通って、調節開度中の第３の開閉弁１３側に案内されて、この第３の開閉弁１３へ流入する。

なお、膨張弁９からの低温の液冷媒は、全閉中の第１の開閉弁１０および給湯二方弁１２により水熱交換器１１を迂回してバイパス路１５へ流入するので、この水熱交換器１１への流入は阻止される。このため、冬季で外気温が低く、水熱交換器１１の温度が低い場合等、除霜運転の条件により低温の液冷媒が水熱交換器１１の冷媒流路１１ａへ流入することを阻止することが可能となり、水熱交換器１１の冷媒流路１１ａを流れる液冷媒により冷却される水を通す水管１１ｂの凍結を未然に防止できる。

ところで、第１の開閉弁１０は機械式の開閉弁であるので、開閉精度にばらつきがあるうえに、ごみ噛み等により全閉中でも液冷媒がリークする虞がある。また、水熱交換器１１が低圧の場合は、外気温等、除霜運転条件によっては、水管１１ｂが例えば約−２０℃程度まで低下し、水管１１ｂが凍結する虞がある。

このために、万一、第１の開閉弁１０から液冷媒がリークし、水熱交換器１１の冷媒流路１１ａへ流入した場合でも、本実施形態によれば、膨張弁９が調節開度ではなく、全開中であるので、この第１の開閉弁１０をリークした液冷媒は高圧状態になり、したがって、水熱交換器１１の冷媒流路１１ａ内も高圧状態になるので、水熱交換器１１の水管１１ｂを通る給水の温度が例えば０℃以下に低下することを防止できる。その結果、水管１１ｂの凍結を防止できる。

なお、除霜運転時の冷媒循環流量は第３の開閉弁１３により制御される。

制御装置２８は除霜運転時、上記ＴＬＨセンサ２４により検出された水熱交換器１１の液冷媒入口側温度に応じて給水ポンプ２０の単位時間当りの回転数を制御することにより、水熱交換器１１の水管１１ｂの凍結防止を図っている。

すなわち、図２（２Ａ）、（２Ｂ）に示すように制御装置２８は、ＴＬＨセンサ２４により検出された温度領域を複数領域、例えばａ〜ｅに区分し、これら温度領域に応じて給水ポンプ２０の回転数を制御する。

これにより、貯湯タンク１９内の温度の高い貯湯の一部が水熱交換器１１の水管１１ｂ内を所要の流量で循環するので、この水管１１ｂの凍結防止を図ることができる。

また、一般に、ＴＬＨセンサ２４の検出温度は、ハンチングを有するので、図２（２Ｂ）に示すように、ＴＬＨセンサ２４の検出温度が例えば−２５℃から１０℃へ昇温して行く場合の温度領域ａ〜ｅと、その逆に検出温度が降温して行く場合の温度領域ａ〜ｅの境界値（しきい値）には、所要温度（例えば１℃（１Ｋ））のディファレンシャルを設定している。これにより、給水ポンプ２０の回転数制御の安定性の向上を図ることができる。

さらに、制御装置２８は、この給水ポンプ２０の回転数制御を、水熱交換器１１の水管１１ｂに給水される水（湯）の温度を検出するＴＷＩ＿Ｈセンサ２６の検出温度に応じて補正する機能を有する。

すなわち、水管１１ｂの水入口側に給水される水（湯）の温度が高い場合は、低い場合に比して水管１１ｂの凍結に対する余裕度が大きいので、図３（３Ａ）、（３Ｂ）に示すように、この給水温度を検出するＴＷＩ＿Ｈセンサ２６の検出温度が高い場合には、その分、給水ポンプ２０の回転数を減少させる、例えばＴＷＩ＿Ｈセンサ２６の検出温度が５℃以上かつ１０℃未満のＡゾーンの場合（５℃≦ＴＷＩ＿Ｈ＜１０℃）は、給水ポンプ２０の上記図２（２Ａ）で示す制御回転数の補正値は「１」で変更は無いが、１０℃以上の高温であるＢゾーンの場合には、上記制御回転数を０．６倍に減少させる。これにより、給水ポンプ２０の節電を図ることができる。この補正値についても、ＴＷＩ＿Ｈセンサ２６の検出温度のハンチングを考慮したディファレンシャルを設定している。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態に係る給湯装置１Ａの全体構成図である。この給湯装置１Ａは、上記第１実施形態における第３の開閉弁１３に、給湯運転時の冷媒流れ方向に対して順方向となる第２の逆止弁３４を並列に接続する並列回路３５を設けている。これ以外の構成は上記第１実施形態と同様である。

上記第１実施形態によれば、給湯運転時、第３の開閉弁１３は、全開に制御されるが、その場合でも、微少ではあるが、冷媒循環流に対しては流路抵抗となり、運転効率が低下する。

これに対し、第２の逆止弁３４の流路抵抗は、冷媒が順方向に流れる場合は、第３の開閉弁１３の流路抵抗よりも低い。

そこで、第２の実施形態では、給湯運転時には制御装置２８により、第３の開閉弁１３を全閉に制御して、冷媒を第２の逆止弁３４側に通す。これにより、冷媒循環流の流路抵抗を低減できるので、給湯運転時の効率向上を図ることができる。

以上、本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、本発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１Ａ…給湯装置、２…室外ユニット、３…水熱交ユニット、４…給湯タンクユニット、５、５ａ、５ｂ…冷媒配管、６…圧縮機、７…四方弁、８…空気熱交換器、９…膨張弁、１０…第１の開閉弁、１１…水熱交換器、１２…給湯二方弁（第２の開閉弁）、１３…第３の開閉弁、１４…ヒートポンプ回路、１５…バイパス路、１６…バイパス逆止弁、２０…給水ポンプ、２８…制御装置、３４…第２の逆止弁、３５…並列回路。

Claims (3)

1. 圧縮機、四方弁、空気熱交換器、膨張弁、第１の開閉弁、水を加熱する水熱交換器、第２の開閉弁および第３の開閉弁を順次冷媒配管により接続し、除霜運転時に前記水熱交換器を迂回させるように冷媒を流すバイパス路を形成したヒートポンプ回路と、
   前記ヒートポンプ回路の給湯運転時に、前記膨張弁および第１の開閉弁を、冷媒流量を調節するための調節開度に、第２、第３の開閉弁を全開にそれぞれ制御する一方、除霜運転時に、前記膨張弁を全開に、第１、第２の開閉弁を全閉に、第３の開閉弁を調節開度にそれぞれ制御する制御装置と、
   を具備していることを特徴とする給湯装置。
2. 除霜運転時の前記水熱交換器の冷媒入口側に配設された冷媒温度センサと、前記水熱交換器の水管に水を給水する給水ポンプとを、さらに具備し、前記制御装置により、前記給水ポンプの単位時間当りの回転数を前記冷媒温度センサにより検出された温度に基づいて制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載の給湯装置。
3. 前記第３の開閉弁に、給湯運転時に冷媒を前記第２の開閉弁側へのみ流す逆止弁を並列に設けたことを特徴とする請求項１または２記載の給湯装置。

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